[工学]王光远院士谈科研选题与科研方法.doc

王光远院士谈科研选题与科研方法哈工大报讯（学生记者 曹石鼓） 科研选题和科研方法是广大科技工作者共同关心的话题，中国工程院王光远院士结合自己的科研实践，为青年教师与研究生谈了这两个问题。他讲座的前一部分分析了我们应该如何进行科研选题，并在其中渗透了科研方法的问题，讲座的后一部分就科研方法进行了系统的阐述。如何选择科研方向，如何缩小研究领域，如何确定科研课题。 “科研方向即研究领域，是研究的战略性抉择，科研方向好与不好将影响我们很长时期的研究情况。” 王院士将科研方向的选择放在极为重要的位置，他说，在他老师那一代，也就是年代至年代的土木工程学科，大家的毕生精力都放在了超静定问题的计算简化之上。在当时，研究这个课题是十分重要的，因为在没有快速计算工具的条件下，计算大量的代数方程组十分困难，必须加以简化。在这个领域，中国的老先生们提出了很多十分巧妙的方法，但这只是一个代数方程组求解的问题，学术水平太低，计算机一出现，那些方法就全部没用了，他们的研究在历史上并没有留下什么痕迹。可见研究方向是受到客观条件的制约。 王光远从年开始有计划地搞一些大研究项目，这时首先遇到的问题就是选择什么样的科研方向。当时土木工程专业最热门的就是“线弹性薄壳计算”，到底搞不搞这个方向？经过分析，他很快否定了。首先符拉索夫的线弹性理论已经相当完备，其次利用有限元进行计算的计算方法已经十分完善，而且计算机的出现使得计算手段已经具备：理论，方法，手段都已经很成熟，已经没有太多的研究空间了。但是当时为什么大家都钻在里面不出来呢？是因为好出文章！有时候把一个边界条件一换就成了一篇论文了，但是当时出的那么多论文现在几乎没有被提及的。王光远告诫我们，在进行方向选择的时候，不要急功近利，盲目赶时髦，选择的科研方向一定要代表学科的发展方向，它不应是一个很完善的东西，而应是一个正在发展并将要大发展的方向。 王光远说，学科的发展是一个不断上升的过程，只是其发展有时处于陡坡，有时进入缓坡。任何事物的发展都脱离不了周围事物的影响，他们在相互制约着。力学，结构的问题常常卡在一个数学问题上，甚至卡在一个数学概念上。比如结构优化设计，结构研究方案有无限多种，但什么方案最好？从无限多种方案中选出最优的方案，这就是结构优化设计。这是多么朴素的概念，以至于世纪初就有人提出。但为什么从提出到世纪六七十年代的几十年里没有什么大的发展呢？一是力学跟不上，二是这种无限选一的问题当时没有计算手段。由此可以看到，所谓学科发展的缓坡，就是约束因素基本不变，学科只能够缓慢地发展；而陡坡则一旦一个或多个束缚因素被突破，学科便进入快速发展的阶段。科学工作者要有敏锐的目光，能对学科的发展趋势作出准确的判断，尤其是要能够及时把握学科发展的陡坡，用自己富有成效的工作推动其发展。 “研究方向最初只能是一个很大的方向，在研究实践中逐渐的才能把它的范围缩小。科研方向的选择必然要符合学科发展的需要。”其实王光远在年以前就开始为科研做准备了。他初步的想法是选择结构动力学方向做研究，其理由很充分：从理论上来讲，静力问题只不过是动力问题的特殊情况，从静力的研究发展到动力的研究是必然的，以前只研究静力是因为动力研究不了，而不是不该研究；从当时的条件来看，当时的结构动力学已经有了萌芽，在理论和应用上都有一些著作，如瑞利的声学已经完全具备了线弹性理论，还有铁木申科写的工程中的振动问题一书等；再从学科方向的发展潜力上来看，当时相关的理论和方法并不完善，研究空间很大。 除了学科需要之外，还应该注意一些什么样的问题呢？王光远着重提出了个人的兴趣和国家的需要这两个方面。他说，选择自己感兴趣的方向才能够扬长避短，事半功倍。而兴趣从哪里来呢？兴趣来自你自己对它的了解，也来自于你自己的知识结构。讲到这个问题时，王光远介绍道：“这一点我当初也有准备，当时我国的结构动力学领域还是空白，年，哈工大在全国率先开这门课，我们在这一方向是有优势的，所以我把结构动力学确定为科研方向。从年代至今，虽然课题换了不少，但研究领域再也没有变过。” 王光远说，选择了大的科研方向之后，我们要将范围缩小，即确定小的方向。年以前，他决定进入结构动力学领域进行研究。结构动力学问题分为两个方面，一是荷载，一是结构。动力荷载多种多样，有地震荷载，风荷载，机器引起的震动荷载等等，每一种荷载都有不同的性质，对同一结构的作用效果也各不相同。同时结构也是多种多样的。所以结构动力学里面的小方向很多，究竟应该选哪一个呢？ 年国务院发布了一个文件，号召全国的科研工作者研究大问题，其中土木工程领域就是“抗地震结构的计算方法”是其中之一。这个工作交给了中国科学院的土木建筑研究所。当时王光远在全国率先开了这门课，而且已经写了一本结构动力学讲义，哈工大在全国处于领先的位置，所以当时土木建筑研究所的所长刘恢先先生邀请他参加此项研究。在中国，结构动力学当时几乎是空白，发展潜力很大，而地震工程是结构动力学中最为复杂的问题，得出的成果很容易推广到其他各个方面，再考虑到自身的优势和国家的需要，王光远毫不犹豫地接受了刘恢先的邀请，这就是王光远选择科研方向的大体过程，对此他总结出一句话：“我们对科研方向的选择，既要符合学科发展的要求又要符合国家的需要，既要符合自己的兴趣又要考虑自身的知识条件。” 科研方向选定之后，面临的是科研课题的选择。王光远认为，选择科研课题的原则与选择科研方向的原则是一样的，也就是要全面地考虑学科发展、自身条件和国家需要。进行选题之前，一方面是要对该课题有个比较全面地了解，另一方面是要看清楚影响其发展的主要矛盾是什么，在当前的条件下有没有解决的可能。讲座中，王院士向大家介绍了他的几个课题的选择过程，让大家结合自己的科研实践进行进一步地思考。 王光远的第一个课题是地震力理论，研究的是地震时的地面运动模型，这是地震工程最基本的问题。“我之所以对它感兴趣是因为发现了当时其研究的一个致命矛盾。”王光远说，我们知道，不同动力特性的结构受到同样的地震影响时振动是有差异的，而且差异很大。研究地震力理论首先要解决结构的动力特性的问题。结构的动力特性分为个方面：频率、振型、阻尼。最开始的静力理论将地震当作等加速运动，把惯性力简单地表示成为质量和系数的乘积，这显然是不合理的。后来人们又把地震看作简谐振动，可是这也不符合实际情况：我们注意到简谐振动有一个很突出的现象，那就是共振，而实际地震过程中结构并没有与地震波产生明显的共振，这是因为地震的振动不是单一的简谐振动，而是由许多个振动波组成的。在简谐振动理论的指导下，人们进行结构设计的时候假设的地面震动频率不同，结构的反应也不同，这样“结构设计就取决于设计者本人的假设了”，这显然是不行的。后来又稍微修正了一下，改成一个衰减的简谐振动，但问题还是没有解决。王光远开始研究这个问题的时候，有关理论发展到了将地面震动模拟成一系列的衰减的简谐振动的叠加，这是苏联的最新理论。可是所有的理论都有一个共同的问题，那就是“地震参数假设的主观性”。在这些理论之下，假设的参数不同，结构的振动响应也不同，“结构的响应取决于你本人的假设，这怎么指导设计呢？”其关键问题就是：“无论你把地震的地面运动假设成一个什么样的情况，只要你把它假设成了一个时间的定函数，它就不符合实际情况。”经过这些分析，王光远得到了一个结论：“地震力理论已经走到了死胡同！以往的理论一律不行，到这个领域来进行研究大有可为！”正在这个时候，他看到了美国的豪斯曼教授的一篇论文，论文中提出，地震的振动是随机的，不能够表示成为时间的定函数。这篇论文的观点很简单，但打开了随后几十年地震工程研究的全新局面。这篇文章又是有缺陷的，它在解决这个问题的时候引入了一个最简单的随机振动过程，即马尔可夫过程，经过分析我们不难发现它并不符合实际。首先它是不连续的，而实际的地震过程是连续的，而且它是无后效的，也就是说前面的过程对后面的过程不产生影响，而实际的地震过程是有后效的。于是王院士进一步得出结论：这篇文章的观点是具有开创性的，但是提出的方法是错误的。找出了问题的所在，王光远开始自学概率论、数理统计、随机过程论，做好数学上的准备。最后他选择了高斯连续过程作为地震时地面振动的模型。但是这里面还有一个很大的困难，那就是高斯连续过程没有成熟的理论来解决过程的非平稳问题。这就是他选题的过程，此后他很长一段时期内都在研究随机干扰下的结构振动问题。 如何对待科研选题，王光远很喜欢一句话：“没有特别坏的课题，只有不恰当的研究方法！”他就曾经有一个课题并非自己选择，但是通过创新性的研究，他在这个课题上取得了重大成果。 年代末，上级派下来一个任务课题：工业厂房的振动问题。原本已有相关的研究小组，但他们沿袭以往的研究思路，把空间厂房在概念中切成一片片，粗糙的进行平面简化，认为屋盖为单跨时为单自由度，多跨则为多自由度，没有什么研究必要，要求撤掉课题组。但是这个任务不能不完成，于是分配到王光远所领导的课题组之上。说到这里，王光远强调，“先要把影响问题的关键在那里搞清楚，然后才能进行研究。”工业厂房是一个整体，它的各排架之间是相互制约的，这一点在振动的时候表现得尤为明显。于是他召集小组开会时说，工业厂房震动的问题关键是要将其作为一个空间整体结构来研究，而不能把它切成一片片进行平面简化后来研究。这个思路指导王光远的课题组很快取得了成果，并在世界上率先建立了厂房空间振动理论，这个理论于年被评为国家重大科研成果，并在各种设计规范里得到应用。王光远说，可见我们选择课题的时候，首先是“看矛盾”，只有把主要矛盾抓住了，你才能够有效地进行研究。上面提到的地震力理论的主要矛盾是振动的随机性，所以我们从振动的随机性着手研究，而工业厂房振动问题的主要矛盾是空间整体性，所以我们将它作为一个整体来研究，抓住了主要矛盾，我们的研究都取得了很好的效果。 “四人帮”倒台后，王光远开始了新的研究历程。随着计算机的广泛应用，世界上出现了很多新的学科，王光远选择结构优化设计作为自己的课题。当时世界上的结构优化设计都是对单个的结构进行优化，但工程项目包含着若干结构，形成一个以结构为单元的系统，各单元分别优化的结果组成的系统并不优化，项目的优化常常需要某些部分做出牺牲。所以王光远在年代就提出工程项目的全系统优化的概念，即应该将各个元素放在工程整体中来考虑如何优化，以达到总体设计最为优化的目的。后来他又提出全寿命优化的概念，认为优化应该贯穿在工程项目的全部阶段，如可行性论证、结构选型、工程施工、建成以后的管理等。王光远说，这两个概念使我们形成了工程项目的“全系统、全寿命优化设计的理论”，我的很多学生都在这个领域内进行研究，并取得了引人注目的成果。现在我们的可行性论证优化和结构选型优化的研究已经完成了，成果著作即将出版，设计优化的问题也很快将要完成了，成果著作也将出版。建成以后管理的优化问题，王光远的学生欧进萍主持在渤海油田进行研究并经取得了突出的成果，建立了海洋平台结构安全评定与维修决策理论。说到这里，王光远院士进一步提出：“但是施工优化的问题我们并不在行，没有做什么工作，还需要更加专业的人士投入精力。” 选题完成之后，要经历的是扎实的科学研究过程 王光远院士着重就这个问题作了系统的论述。他说，“讲求科研方法，首先要使自己的理论与实践相符合”。在研究工业厂房振动的时候，王光远认真地了解国外的情况。当时世界上只有前苏联做过一些静力学的实验，他看到了苏联的文章，并设法搞到了他们的实验数据。他觉得他们的论文十分荒谬，理论与实验严重背离！经过仔细地分析才知道，他们在进行研究的时候将空间问题粗糙地进行平面简化，把工业厂房的屋盖的变形问题当作材料力学中的弹性支座上的弯曲梁问题，认为它的变形以弯曲变形为主，剪切变形可以忽略。而当以这样的概念为指导而得出的理论值和实测值严重背离的情况下，不是另寻思路，而是将相差几十倍甚至形式都不同的理论值和实验值地强行捏合在一起，不仅得不到能够正确指导结构设计的理论，而且在学术上犯了很大的错误！王光远在一系列的实测之后提出：“工业厂房屋盖变形不是以弯曲为主，而是以剪切为主，弯曲变形可以忽略。”在实事求是的科学思想的指导下，王光远的课题组很快地得到了全新的理论。后来他们做了一些实验，接着测试了一些真实的厂房，试验结果和苏联一样，也就是与苏联的理论结果截然不同。苏联的错误在于固守理论，而不尊重实践。从上面的例子我们可以得出这样的结论，理论和实践发生冲突时，实践是第一位的，只要你的实践真实可靠，不是虚构的，它就具有可信性。“理论与实践不相符，我们要考虑的是如何修改理论，而不是如何修改实验结果。” 研究的时候一定要有创新的思想，这是大家很关心的问题。王院士说，“什么是创新？创新决不是标新立异，标新立异是不可能得到真正的创新，创新是根据自己长期、深入的科学实践，来发现矛盾、解决矛盾。”数学是一种工具，有了基本的数学基础和比较宽泛的数学常识之后，最关键的是你对课题所包含的概念的认识。为了说明这一点，王光远院士举了自己将模糊数学引入地震工程的例子。他说，我们知道地震工程有一个很重要的概念，那就是地震烈度。地震烈度需要由各种指标综合描述，其中各国用得最多的指标是地面的最大加速度。例如度是一个区间，度是一个区间，地震时地面的最大加速度落在那个区间内，地震烈度就是多少度。但是另一方面，抗震结构设计规范中规定，度比度的强度高一倍。两者显然不能在全区间内同时被满足，尤其是在度和度的边界上出现跳跃，这样的问题我们无法从概念上加以解决。王光远在年代就注意到了这个矛盾，但是受当时的数学发展所限，没有办法解决。文革之后，出现了模糊数学，王光远以科学家的敏锐发觉了两者的联系，于是提出可以将模糊数学原理用到工程抗震中去，用通俗的语言可以这样描述：地震烈度中度是一个区间，度是一个区间，它们之间是有边界的，但是这个边界是模糊的，两个区间之间不是跳跃的，而是逐渐过渡的，边界附近